De mai bine de 100 de ani, astronomii observă o stea curioasă situată la aproximativ 190 de ani lumină de Pământ, în Balanta constelației. Acesta parcurge rapid cerul la 800.000 mph (1,3 milioane de kilometri pe oră). Dar mai interesant de atât, HD 140283 - sau Methuselah așa cum este cunoscut în mod obișnuit - este, de asemenea, una dintre cele mai vechi stele ale universului.
În 2000, oamenii de știință au căutat să întâlnească vedeta folosind observații prin satelitul Hipparcos al Agenției Spațiale Europene (ESA), care a estimat o vechime de 16 miliarde de ani. O astfel de cifră era mai degrabă mincinoasă și, de asemenea, destul de dezlănțuitoare. Așa cum a arătat astronomul Howard Bond de la Universitatea de Stat din Pennsylvania, vârsta universului - determinată din observațiile fundalului microundelor cosmice - are o vechime de 13,8 miliarde de ani. „A fost o discrepanță serioasă”, a spus el.
Luată la valoarea nominală, vârsta prezisă a stelei a ridicat o problemă majoră. Cum ar putea o stea să fie mai veche decât universul? Sau, invers, cum ar putea universul să fie mai tânăr? Era cu siguranță clar că Metușelah - numit în referință la un patriarh biblic despre care se spune că a murit în vârstă de 969, făcându-l să trăiască cel mai mult timp dintre toate figurile din Biblie - era vechi, din moment ce subgiantul sărac în metal este format predominant din hidrogen. și heliu și conține foarte puțin fier. Compoziția sa însemna că steaua trebuie să fi apărut înainte ca fierul să devină obișnuit.
Dar cu peste două miliarde de ani mai vechi decât mediul său? Cu siguranță asta nu este posibil.
Aruncând o privire mai atentă la vârsta lui Metușela
Bond și colegii săi s-au fixat în sarcina de a afla dacă acea cifră inițială de 16 miliarde a fost sau nu exactă. Aceștia au prezentat peste 11 seturi de observații înregistrate între 2003 și 2011 de senzorii de orientare fină ai telescopului spațial Hubble, care fac notă asupra pozițiilor, distanțelor și a puterii de energie a stelelor. În achiziționarea de paralaxe, spectroscopie și măsurători de fotometrie, s-ar putea determina un sentiment mai bun al vârstei.
"Una dintre incertitudinile legate de vârsta HD 140283 a fost distanța exactă a stelei", a spus Bond pentru Totul despre Space. "A fost important să obținem acest drept deoarece putem determina mai bine luminozitatea acesteia, iar de la vârsta sa - cu cât este mai luminoasă luminozitatea intrinsecă, cu atât este mai tânără steaua. Am căutat efectul paralax, ceea ce însemna că vedem steaua șase luni. în afară de a căuta deplasarea în poziția sa datorită mișcării orbitale a Pământului, care ne spune distanța ".
De asemenea, au existat incertitudini în modelarea teoretică a stelelor, cum ar fi ratele exacte ale reacțiilor nucleare în miez și importanța elementelor difuzate în jos în straturile exterioare, a spus el. Ei au lucrat la ideea că heliul rămas se răspândește mai adânc în miez, lăsând mai puțin hidrogen să ardă prin fuziunea nucleară. Cu combustibilul utilizat mai repede, vârsta este redusă.
"Un alt factor important a fost, dintre toate lucrurile, cantitatea de oxigen din stea", a spus Bond. HD 140283 a avut un raport oxigen-fier mai mare decât cel prevăzut și, întrucât oxigenul nu era abundent în univers timp de câteva milioane de ani, a indicat din nou o vârstă mai mică pentru stea.
Bond și colaboratorii săi au estimat vârsta HD 140283 la 14,46 miliarde de ani - o reducere semnificativă la 16 miliarde pretins anterior. Aceasta a fost, însă, mai mult decât vârsta universului în sine, însă oamenii de știință au reprezentat o incertitudine reziduală de 800 de milioane de ani, despre care Bond a spus că a făcut ca vârsta stelei să fie compatibilă cu epoca universului, chiar dacă nu era în întregime perfectă .
"La fel ca toate estimările măsurate, este supus unor erori atât aleatorii, cât și sistematice", a spus fizicianul Robert Matthews de la Universitatea Aston din Birmingham, Marea Britanie, care nu a fost implicat în studiu. „Suprapunerea în barele de eroare oferă unele indicații despre probabilitatea unei ciocniri cu determinări cosmologice de vârstă”, a spus Matthews. "Cu alte cuvinte, vârsta celei mai bine susținute a stelei este în conflict cu cea pentru vârsta derivată a universului, iar conflictul poate fi rezolvat numai prin împingerea barelor de eroare până la limitele lor extreme."
Rafinările ulterioare au văzut că vârsta HD 140283 a scăzut un pic mai mult. Un studiu de urmărire din 2014 a actualizat vârsta stelei la 14,27 miliarde de ani. "Concluzia la care am ajuns a fost că vârsta este de aproximativ 14 miliarde de ani și, din nou, dacă se includ toate sursele de incertitudine - atât în măsurătorile observaționale, cât și în modelarea teoretică - eroarea este de aproximativ 700 sau 800 de milioane de ani, deci nu există niciun conflict. pentru că 13,8 miliarde de ani se află în bara de eroare a stelei ", a spus Bond.
Aruncând o privire mai atentă la vârsta universului
Pentru Bond, asemănările dintre epoca universului și cea a acestei stele vechi din apropiere - ambele au fost determinate prin diferite metode de analiză - este „o realizare științifică uimitoare care oferă dovezi foarte puternice pentru imaginea Big Bang a universului. “. El a spus că problema cu vârsta celor mai vechi stele este mult mai puțin severă decât a fost în anii 90 când vârstele stelare se apropiau de 18 miliarde de ani sau, într-un caz, de 20 de miliarde de ani. "Cu incertitudinile determinărilor, vârstele sunt acum de acord", a spus Bond.
Cu toate acestea, Matthews consideră că problema nu a fost încă rezolvată. Astronomii la o conferință internațională a unor cosmologi de top din cadrul Institutului Kavli pentru fizică teoretică din Santa Barbara, California, în iulie 2019 au fost încurcăți în studiile care sugerează diferite vârste pentru univers. Se uitau la măsurători ale galaxiilor relativ apropiate, ceea ce sugerează că universul este mai tânăr cu sute de milioane de ani în comparație cu vârsta determinată de fundalul microundelor cosmice.
De fapt, departe de a avea 13,8 miliarde de ani, așa cum este estimat de măsurătorile detaliate ale radiațiilor cosmice ale telescopului spațial Planck în 2013, universul poate avea o vârstă de 11,4 miliarde de ani. Unul dintre cei din spatele studiilor este laureatul Nobel Adam Riess de la Institutul de Știință al Telescopului Spațial din Baltimore, Maryland.
Concluziile se bazează pe ideea unui univers în expansiune, așa cum a fost arătat în 1929 de Edwin Hubble. Acest lucru este fundamental pentru Big Bang - înțelegerea faptului că a existat odată o stare de densitate fierbinte care a explodat, întinzând spațiul. Acesta indică un punct de plecare care ar putea fi măsurabil, dar descoperirile noi sugerează că rata de expansiune este de fapt cu aproximativ 10% mai mare decât cea sugerată de Planck.
Într-adevăr, echipa Planck a stabilit că rata de expansiune a fost de 67,4 km pe secundă pe megaparsec, dar măsurările mai recente ale ratei de expansiune a universului indică valori de 73 sau 74. Aceasta înseamnă că există o diferență între măsurarea cât de rapid. universul se extinde astăzi și prezicerile despre cât de rapid ar trebui să se extindă pe baza fizicii universului timpuriu, a spus Riess. Aceasta duce la o reevaluare a teoriilor acceptate, în timp ce arată, de asemenea, că există încă multe de învățat despre materia întunecată și energia întunecată, care se crede că se află în spatele acestui conundru.
O valoare mai mare pentru constanta Hubble indică o vârstă mai scurtă pentru univers. O constantă de 67,74 km pe secundă pe megaparsec ar duce la o vârstă de 13,8 miliarde de ani, în timp ce unul din 73, sau chiar la 77 de ani, după cum au arătat unele studii, ar indica o vârstă a universului nu mai mare de 12,7 miliarde de ani. Este o nepotrivire care sugerează, încă o dată, că HD 140283 este mai vechi decât universul. De atunci a fost înlocuit de un studiu din 2019 publicat în revista Science care propunea o constantă Hubble de 82,4 - care sugerează că vârsta universului este de doar 11,4 miliarde de ani.
Matthews consideră că răspunsurile se află într-o mai mare rafinare cosmologică. „Bănuiesc că cosmologii observaționali au ratat ceva care creează acest paradox, mai degrabă decât astrofizicienii stelari”, a spus el, arătând că măsurătorile stelelor sunt poate mai exacte. „Asta nu pentru că cosmologii sunt în vreun fel mai slabi, ci pentru că determinarea vârstei universului este supusă unor incertitudini observaționale și teoretice mai dificile și mai complicate decât cele ale stelelor”.
Deci, cum vor descoperi oamenii de știință?
Ce ar putea face ca universul să apară potențial mai tânăr decât această anumită stea?
„Există două opțiuni, iar istoria științei sugerează că realitatea este, în astfel de cazuri, o combinație a ambelor”, a spus Matthews. „În acest caz, acestea ar fi surse de eroare de observație care nu au fost pe deplin înțelese, plus câteva lacune în teoria dinamicii universului, cum ar fi puterea energiei întunecate, care a fost principalul motor al expansiunii cosmice de multe miliarde de ani acum. "
El sugerează posibilitatea ca actualul "paradox al vârstei" să reflecte variația de timp a energiei întunecate și, astfel, o schimbare a vitezei de accelerare - o posibilitate de teoreticieni au găsit ar putea fi compatibilă cu idei despre natura fundamentală a gravitației, cum ar fi așa-numitele teoria seturilor cauzale. Noua cercetare a undelor gravitaționale ar putea ajuta la rezolvarea paradoxului, a spus Matthews.
Pentru a face acest lucru, oamenii de știință s-ar uita la ondulările din țesătura spațiului și a timpului create de perechi de stele moarte, mai degrabă decât să se bazeze pe fundalul microundelor cosmice sau monitorizarea unor obiecte din apropiere, cum ar fi variabilele Cefeide și supernovele pentru a măsura Constanta Hubble - primele rezultând cu viteza de 67 km pe secundă pe megaparsec și al doilea în 73.
Problema este că măsurarea undelor gravitaționale nu este o sarcină ușoară, dat fiind că acestea au fost detectate direct pentru prima dată în 2015. Dar, conform lui Stephen Feeney, astrofizician la Institutul Flatiron din New York, s-ar putea face o descoperire pe parcursul următorul deceniu. Ideea este de a colecta date din coliziuni între perechi de stele de neutroni folosind lumina vizibilă pe care aceste evenimente o emit pentru a da seama de viteza cu care se deplasează în raport cu Pământul. De asemenea, presupune analizarea undelor gravitaționale rezultate pentru o idee de distanță - ambele putând fi combinate pentru a da o măsurare a constantei Hubble care ar trebui să fie cea mai precisă încă.
Misterul epocii HD 140283 duce la ceva mai mare și mai complex din punct de vedere științific, modificând înțelegerea modului în care funcționează universul.
„Cele mai probabile explicații pentru paradox sunt unele efecte observaționale trecute cu vederea și / sau ceva mare care lipsește din înțelegerea noastră despre dinamica expansiunii cosmice”, a spus Matthews. Tocmai ceea ce este „ceva”, este sigur că îi va menține pe astronomi provocați de ceva vreme.
Resurse aditionale:
